Изготовление коленчатого вала двигателя

Коленчатый вал

Рис. Коленчатый вал двигателя V6

Коленчатый вал воспринимает усилия, передаваемые от поршней шатуном, и преобразует их в крутящий момент. Поэтому коленчатый вал должен быть прочным и жестким.
В качестве материала для коленчатого вала используют высокопрочный чугун и сталь. Чугунные валы изготавливают методом литья, а стальные – методом ковки. Рабочие поверхности коренных и шатунных шеек коленчатого вала подвергают упрочнению с помощью термической обработки и последующей шлифовке.
Коленчатый вал состоит из нескольких коренных шеек, соединенных щеками с шатунными шейками. Щеки коленчатого вала продолжаются в противоположном от шейки направлении, образуя противовесы. В некоторых двигателях грузовых автомобилей используют съемные противовесы, которые крепятся к коленчатому валу болтами. Коренные шейки всегда больше в диаметре, чем шатунные. Коленчатый вал будет более жестким, если коренные и шатунные шейки перекрывают друг друга при взгляде с торца вала. Очевидно, что намного легче добиться перекрытия шеек в [[Короткоходный двигатель |короткоходном двигателе]]. Если по обеим сторонам от шатунной шейки расположены коренные шейки, коленчатый вал является полноопорным. В противном случае он неполноопорный и поэтому должен быть более жестким, а следовательно, более массивным, чтобы воспринимать значительные изгибающие и закручивающие усилия. Поэтому в современных двигателях в основном применяются полноопорные валы. В настоящее время редко применяют разборные коленчатые валы, хотя такая конструкция вала дает возможность применять шатуны с неразъемной нижней головкой. Переход от шейки к щеке является опасным с точки зрения концентрации напряжений, и поэтому его выполняют по радиусу. Такая конструкция уменьшает возможность появления трещин и последующего усталостного излома.
В качестве коренных и шатунных подшипников скольжения в настоящее время применяют разъемные, тонкостенные вкладыши. Вкладыши изготавливают из стальной ленты с нанесенным на нее слоем антифрикционного сплава. Для того чтобы установленные вкладыши не проворачивались в опорах коленчатого вала и головках шатунов, они имеют выступ, с помощью которого фиксируются в соответствующих канавках. Для предохранения коленчатого вала от осевых перемещений используются упорные подшипники скольжения.
Внутри коленчатого вала, в щеках и шейках коленчатого вала просверлены отверстия для прохода масла. Подшипники коленчатого вала подвергаются значительным нагрузкам, и даже кратковременная работа двигателя без масла приводит к его выходу из строя, поэтому к шейкам коленчатого вала масло подается постоянно под давлением.
К заднему концу коленчатого вала крепится маховик. Маховик служит для уменьшения неравномерности работы двигателя, запасая энергию при рабочем ходе и отдавая ее при других тактах, а также выводит КШМ из мертвых точек. Маховик представляет собой массивный диск, выполненный из чугуна. На внешнюю цилиндрическую поверхность маховика напрессован зубчатый венец, обеспечивающий проворачивание коленчатого вала при пуске двигателя с помощью электрического стартера. У многоцилиндровых двигателей рабочий ход происходит одновременно в нескольких цилиндрах. У таких двигателей крутящий момент более равномерный и масса маховика может быть уменьшена.

Рис. Двухмассовый маховик двигателя

Каким бы жестким ни был коленчатый вал, он подвергается крутильным колебаниям. Крутильные колебания можно представить как постоянное закручивание с последующим раскручиванием вала, что происходит при работе двигателя с определенной частотой. При совпадении частоты крутильных колебаний с частотой внешних сил может наступить резонанс, который приведет к резкому увеличению нагрузок, действующих на коленчатый вал, и, как следствие, к его поломке. Излом коленчатых валов (обычно в месте соединения щеки с коренной шейкой) был частой причиной выхода из строя двигателей старых конструкций. Современные коленчатые валы имеют высокую жесткость, и резонансные частоты находятся за пределами возможных частот вращения валов этих двигателей. Тем не менее в конструкции двигателей часто применяют гасители крутильных колебаний, которые снижают до нужного уровня виброактивность коленчатого вала. Наиболее распространенный способ: разделить шкив или диск, установленный на коленчатом вале, на внутреннюю и наружную части и соединить их упругим материалом, который поглощает вибрации за счет внутреннего трения.
Сейчас все большее распространение получают двухмассовые маховики, которые успешно выполняют функцию гасителя крутильных колебаний.
Прогресс в системах управления может внести дополнительные изменения в конструкцию двигателей. Сегодня разработаны новые тороидные стартер-генераторы, которые не только мгновенно и бесшумно пускают двигатель, но и дают возможность за счет электронного управления гасить всевозможные колебания и вибрации, а также обеспечивают возможность работы двигателя при экстремальных нагрузках.

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы

Коленчатый вал (коленвал) двигателя – это одна из важных деталей КШМ, расположенная в цилиндровом блоке. Вал преобразует поступательные движения поршней во вращательный момент, который через трансмиссию передается на колеса автомобиля.

Устройство коленчатого вала

Сложная конструкция коленвала представлена в виде расположенных по одной оси колен – шатунных шеек, соединенных специальными щеками. При этом количество колен зависит от числа, формы и месторасположения цилиндров, а также тактности двигателя автомобиля. С помощью шатунов шейки соединяются с поршнями, совершающими поступательно-возвратные движения.

В зависимости от расположения коренных шеек коленвал может быть:

  • полноопорным – когда коренные шейки расположены по две стороны от шатунной шейки;
  • неполноопорным – когда коренные шейки расположены только по одну из сторон от шатунной шейки.

В большинстве современных автомобильных двигателей применяются полноопорные коленвалы.

Итак, основными элементами коленвала являются:

  • Коренная шейка – основная часть вала, которая размещается на коренных вкладышах (подшипниках), находящихся в картере.
  • Шатунная шейка – деталь, соединяющая коленвал с шатунами. При этом смазка шатунных механизмов осуществляется благодаря наличию специальных масляных каналов. Шатунные шейки в отличие от коренных шеек всегда смещены в стороны.
  • Щеки – детали, соединяющие два типа шеек – коренные и шатунные.
  • Противовесы – детали, которые предназначены для уравновешивания веса поршней и шатунов.
  • Фронтальная (передняя) часть или носок – часть механизма, оснащенная колесом с зубцами (шкивом) и шестерней, в некоторых случаях гасителем крутильных колебаний, который осуществляет контроль над мощностью привода ГРМ (газораспределительного механизма), а также других механизмов устройства.
  • Тыльная (задняя) часть или хвостовик – часть механизма, соединенная с маховиком при помощи маслоотражающего гребня и маслосгонной резьбы, осуществляет отбор мощности вала.

Фронтальная и тыльная сторона коленчатого вала уплотняется защитными сальниками, которые препятствуют протеканию масла там, где выступающие части маховика выходят за пределы блока цилиндров.

Вращательные движения всего механизма коленвала обеспечивают подшипники скольжения – тонкие стальные вкладыши, с защитным слоем антифрикционного вещества. Для предотвращения осевого смещения вала, применяется упорный подшипник, установленный на коренной шейке (крайней или средней).

Коленвал двигателя изготавливается из износостойкой стали (легированной или углеродистой) или модифицированного чугуна, методом штамповки или литья.

Принцип действия коленчатого вала

Несмотря на сложность самого устройства, принцип работы коленвала достаточно прост.

В камерах сгорания происходит процесс сжигания поступившего туда топлива и выделения газов. Расширяясь, газы воздействуют на поршни, совершающие поступательные движения. Поршни передают механическую энергию шатунам, соединенным с ними втулкой или поршневым пальцем.

Шатун в свою очередь соединен с шейкой коленвала подшипником, вследствие чего каждое поступательное поршневое движение преобразуется во вращательное движение вала. После того как происходит разворот на 180˚, шатунная шейка движется уже в обратном направлении, обеспечивая возвратное движение поршня. Затем циклы повторяются.

Читайте также:  Зеркало заднего обзора

Процесс смазки коленчатого вала

Смазка коленвала обеспечивается за счет шатунных и коренных шеек. Важно помнить, что смазка коленчатого вала всегда происходит под давлением. Каждая коренная шейка обеспечена индивидуальным подводом масла от общей смазочной системы. Поступившее масло попадает на шатунные шейки по специальным каналам, расположенным в коренных шейках.

Коленчатый вал ДВС

Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, он же коленвал — это однородная деталь (если состоит она из нескольких частей, то это составной вал) сложной формы в виде стержня с коленами, функция которой является преобразование возвратно-поступательного движения в крутящее.

Металл коленвала

Коленчатый вал ДВС воспринимает большие нагрузки, поэтому он изготавливается с большим запасом прочности. Материалы для изготовления коленвала следующие:

  • углеродистая сталь;
  • хромомарганцевая сталь;
  • хромоникельмолибденовая сталь;
  • высокопрочный чугун.

Марки стали состава коленвала в порядке распространенности:

  1. Сталь 45. Означает, что в сплаве металла содержится от 0,42 до 0,5 % углерода (С).
  2. Сталь 45Х. Это конструкционный легированный сплав, в котором содержится хром в количестве 1%. Из справочников по ГОСТу хрома содержится в этой марке от 0,8 до 1,1 %.
  3. Сталь 45Г2. Буква Г в шифре стали означает, что содержится марганец (Mn) в количестве 2%.
  4. Сталь 50Г. Этот шифр обозначает, что это марганцевая сталь с содержанием 1% марганца (Mn) и 0,5% углерода (С).

Если в шифре сплава металла содержится более, чем 2,14% углерода (С), то — это чугун.

Марки стали коленвалов дизельных двигателей:

  1. Сталь 40ХНМА.
  2. Сталь 18ХНВА.

Элементы коленвала

Коленчатый вал (коленвал) ДВС состоит из:

  1. Коренная шейка.
  2. Шатунная шейка.
  3. Щёки.
  4. Передняя выходная часть вала или, по-другому — носок.
  5. Задняя выходная часть вала, или, по-другому — хвостовик.
  6. Противовесы.

Коренная шейка вала коленчатого вала — это специальное посадочное место для коренного подшипника, на котором сидит и вращается коленвал.

Обозначения рисунка «Коленчатый вал ДВС»:

  1. Фланец маховика.
  2. Противовесы.
  3. Шатунные шейки.
  4. Коренные шейки.
  5. Щека.
  6. Отверстия подвода масла к шейкам.
  7. Противовесы.
  8. Коренная шейка упорного подшипника.
  9. Посадочное место звездочки (шестерни) привода распределительного вала.
  10. Носок коленчатого вала.

В строении коленвала ДВС имеются коренные шейки, соединяющиеся с шатунныйми шейками посредством щёк. Помимо соединительной функции щек, они еще являются балансирами кривошипно-шатунного механизма, то есть выравнивают вес поршней и шатунов. Благодаря сбалансированному вращению коленвалу, двигатель работает плавно, без рывков.

На коренные и шатунные шейки надеваются подшипники скольжения, называемые вкладышами. Вкладыши тонкостенные располовинчатые из стальной ленты с антифрикционным слоем (то есть, устойчивым к трению).

Шатунная шейка является опорой для шатуна. Самой большой нагрузке в строении коленвала ДВС подвергаются места перехода от шеек к щекам.

Чтобы весь коленчатый вал двигателя не перемещался по оси, не имел осевой люфт, используется упорный подшипник скольжения. Подшипник скольжения удерживающий от перемещения по оси коленвала устанавливается на крайней или средней коренных шейках.

В конструкции шеек и щек коленвала конструкторами предусмотрены специальные отверстия для смазки. Через эти отверстия под давлением подается моторное масло к каждой шейке вала. Коренные шейки обеспечены такой индивидуальной смазкой. Через каналы в щеках, масло подается на шатунные шейки.

Задняя часть коленвала — это хвостовик, обеспечивающий передачу крутящего момента маховику, который закрепляется на хвостовике, а маховик, в свою очередь, передает вращение на коробку переключения передач.

Передняя часть коленвала — это носок. На носке монтируются такие детали:

  • шестерня или звездочка привода распределительного вала (распредвала) газораспределительного механизма (ГРМ);
  • шкив привода навесного оборудования. Кстати, как снять шкив коленвала, мы рассматривали подробно. Есть несколько способов.

На носке также монтируется, так называемый гаситель крутящих колебаний. Так как коленвал ДВС постоянно испытывает огромные нагрузки на кручение и излом, на носке необходимо подавлять вибрацию (колебания).

Гаситель вибраций коленвала состоит из двух дисков и растягивающегося элемента (резина, силикон, масляная жидкость, пружина). Вибрация на носке вала уменьшается благодаря гасителю крутильных колебаний.

Назначение коленвала

Во всех сложно-технических устройствах происходит возникновение одной одного вида энергии, которая кинематическими схемами преобразуется в другую, например, вращательное — в поступательное, и т.д.

В двигателе ДВС коленчатый вал — это сердце двигателя. Принцип работы коленвала следующий: когда поршень удалился на самое максимальное расстояние — щёки и шатун вытягиваются в одну линию. Далее, в рабочей камере сгорания цилиндра происходит взрыв топливно-воздушной смеси, из-за чего поршень опускается вниз с шатуном. Основание шатуна проворачивается вокруг оси шатунной шейки коленвала, так как шатун сидит на ней. После достижения поворота на 180 градусов, шатун начинает движение вверх и поднимает поршень. Таким образом происходит цикл вращения деталей цилиндро-поршневой группы.

Максимально удаленное и максимально приближенное расстояния от коленвала до поршней называются мертвыми точками, в мертвых точках скорость движения равна нолю.

Обработка коленвала.

Коленвалы ДВС в процессе изготовления подвергаются механической и химико-термической обработкам. Так как коленчатый вал двигателей — это сложное устройство с высокой точностью, оно делается с высокими квалитетами только на заводах. Механобработка вала, в основном, понятна многим — это изменение формы по заданным параметрам.

Химическая обработка коленвалов — это закалка током высокой частоты (ТВЧ), азотирование, закалка поверхностного слоя. Изношенные азотированные валы не шлифуют, они подлежат замене. Благодаря всем этим хим и термическим обработкам повышается прочность и износоустойчивость.

Коленвал. Устройство и виды

В двигателе все детали одинаково нужны и важны. При поломке хотя бы одной запчасти весь мотор выходит из строя. Сегодня мы разберем подробно коленчатый вал, который преобразует возвратно-поступательные движения шатунов и поршней во вращательные.

Устройство

Коленвал состоит из:

Ось коленчатого вала – это коренные шейки, которые проходят ровно по центру. Шатунные шейки исполняют роль крепления и приема давления от шатунов. Шатунные шейки смещены по отношению оси вала и держатся с помощью щек.

Шатунных шеек по количеству столько же, сколько и цилиндров. Но во многих V-образных моторах на 1 шейку опираются 2 цилиндра. Так же можно встретить, когда V-образные двигатели имеют коленвал, в котором на 1 шатун рассчитана 1 шейка, но соединенные шейки тогда сдвинуты на 18 градусов по отношению друг к другу.

Что же касается щек, то они обладают несколькими функциями: соединяют шейки и являются противовесом, чтобы уравновесить шатуны и шатунные шейки. Если противовеса не было бы, то появлялась бы вибрация, а у высокооборотных ДВС, это верный признак указывающий на возможность выхода из строя мотора.

В коленчатом вале основная нагрузка распределяется на щеки и на места соединения шеек. Чтобы распределение было равномерным, данные отрезки изготавливаются галтелью – переход в виде закругленной формы от шейки к щеке.

В результате правильное расположение щек и шеек в коленвале обеспечивает эффективную работу возвратно-поступательного движения во вращательное: уравновешивает ДВС, противостоит изгибающим нагрузкам и предотвращает появление колебаний и вибраций.

Полноопорные и неполноопорные коленвалы

Коренные шейки по размеру больше шатунных, и они служат как осью, так и опорой КШМ (кривошипно-шатунного механизма). Нагрузка передается мотору от коленвала через коренные шейки, они же опираются на коренные подшипники в картере двигателя.

Читайте также:  Защита картера двигателя

Коленвал делится на 2 вида по типу опоры:

  1. Полноопорный. В нем шеек коренных на одну больше, чем шатунных. Коренные шейки находятся с обеих сторон шатунных шеек.
  2. Неполноопорный. Коренных шеек меньше, чем шатунных, но по бокам щеки может быть 2 смещенных на конкретный угол шатунных шейки.

Простая конструкция неполноопорного коленвала, а также меньшее количество точек опоры говорит о высокой степени жесткости и прочности, соответственно и тяжести. Именно поэтому в XXI веке чаще используют полноопорные коленвалы, пусть сложнее в производстве, но на выходе легкие и надежные.

Смазка коленвала и других деталей КШМ

Смазка запчастей коленвала очень важна: для опоры коренных шеек и шатунов на шатунные шейки применяют подшипники скольжения (вкладыши), а они не могут правильно функционировать без постоянной смазки.

Чтобы масло поступало к запчастям, внутри коленчатого вала есть каналы. Благодаря давлению, смазочный материал поступает к подшипникам равномерно.

Взаимодействие коленвала совместно с другими запчастями

Нагрузка подается на коленчатый вал через шатуны, тем самым переводя в крутящий момент. Этот самый момент проходит через заднюю часть вала (хвостовик) к маховику и потом к трансмиссии. Через переднюю часть вала (носок) крутящий момент переходит на вал газораспределительного механизма и другие системы двигателя.

Зачастую на носке имеется гаситель колебаний. Это простое устройство состоит из 2 дисков, резиновой прокладки, соединительных пружин и упругого материала, такого как, например, силиконовая жидкость. Такой гаситель при работе мотора уменьшает крутильные колебания вала, что минимизирует риски повреждения.

Производство и материал

Во время работы на коленвал подается большая нагрузка. Для дизельных моторов производят цельной коленчатый вал. А вот сборные коленвалы на практике оказались несостоятельны для высокооборотных моторов, и поэтому их почти не применяют.

В качестве материала изготовления используют сталь или чугун. Коленвал из чугуна выполняют методом отливки, а из стали методом ковки или штамповки. Затем чугунные и стальные коленчатые валы механически обрабатывают, чтобы достичь нужных параметров – балансировка, чистота поверхности и т.д.

Автозапчасти для двигателя и его узлов вы найдете на нашем сайте в разделе «Категория запчастей».

Конструкция коленчатых валов и основные требования к их изготовлению

Коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания являются ответственными и напряженными деталями, работающими при воздействии динамических нагрузок, которые передаются валу через поршень и шатун при рабочем процессе двигателя, и инерционных усилий, возникающих при изменении скорости и направления движущихся масс поршней, шатунов, маховиков и прочих деталей.

Коленчатые валы делают цельными или составными (из отдельных частей или колен). В зависимости от числа и расположения цилиндров коленчатые валы имеют разное число колен и шеек. Основными элементами коленчатых валов являются коренные и шатунные шейки, щеки, соединяющие коренные и шатунные шейки, передний и задний концы, служащие для передачи движения приводным механизмом и механизмами двигателя. В местах переходов от шеек и концов вала к щекам и фланцам имеются галтели. Щеки коленчатых валов делают прямоугольными, круглыми или овальными. Для уменьшения массы вала на щеках в ненагруженных местах снимают фаски и скосы; шейки часто выполняют полыми. На щеках в отдельных конструкциях коленчатых валов установлены противовесы.

Условия работы коленчатых валов и сопряжённых с ними деталей двигателя требуют точного выполнения размеров и правильного взаимного положения отдельных элементов. Эти требования обусловлены ГОСТами 10158-62 и 10167-62. Основные технические требования, предъявляемые к коленчатым валам, следующие:


Рисунок №1. – Секционный штамп для горячей штамповки коленчатых валов больших размеров
  1. Коленчатые валы должны изготавливаться из углеродистых сталей 35, 40, 45, и 50 Г и легированных сталей, химический состав которых соответствует ГОСТу 4543-61. Марка стали оговаривается в чертеже.
  2. Механические свойства валов должны соответствовать показателям, установленным ГОСТом 10158-62 в зависимости от марки стали и категории прочности. Обязательными показателями механических свойств являются предел текучести, относительное сужение, ударная вязкость и твёрдость. Механические свойства материала коленчатых валов после термической обработки проверяются на образцах, вырезанных из детали.
  3. Твёрдость HRC шеек, подвергаемых поверхностной закалке, должна быть не менее 52 для валов, изготавливаемых из стали 45 и 50 Г, и не менее 48 для валов из легированных сталей. Галтели закалке не подвергаются.
  4. Чистота обработки поверхности шеек диаметром до 100 мм должна быть не ниже 9-го класса, а шеек диаметром более 100 мм и галтелей шеек 8-го класса; чистота обработки коренных шеек, монтируемых на подшипниках качения, должна быть 7-го класса.
  5. Диаметры коренных и шатунных шеек требуется обрабатывать по 2-му классу точности. Овальность шеек диаметром до 260 мм не должна выходить за пределы поля допуска скользящей посадки 1-го класса точности, а шеек диаметром более 260 мм должна быть в пределах допуска скользящей посадки 2-го класса точности.
  6. Биение коренных шеек и шейки под распределительную шестерню относительно оси вала не должно превышать 0,03 мм для валов с диаметром шеек до 100 мм, 0,04 мм для валов с диаметром шеек 100-180 мм; 0,05 мм для валов с диаметром шеек 180-260 мм и 0,06 мм для валов больших размеров.
  7. Допускается отклонение радиуса кривошипа не более 0,15 мм на 100 мм радиуса.
  8. Смещение углов между коленами кривошипов, а также между шпоночным пазом распределительной шестерни и осью базового кривошипа допускается не более .
  9. Биение торцов соединительных фланцев при жёстком креплении маховика или муфты допускается не более 0,005 мм на 100 мм диаметра фланца, при прочих соединениях – не более 0,03 мм на 100 мм диаметра фланца.
  10. Каждый вал должен быть динамически сбалансирован. Одно- и двухколенчатые валы, а также валы, работающие с числом оборотов в минуту менее 1000, допускается балансировать статически. Допускаемый дисбаланс указывается в чертеже.

Требования к коленчатым валам, подвергаемые азотированию, хромированию и механическому уплотнению галтелей, указываются в чертеже. Заготовки коленчатых валов получают свободной ковкой, штамповкой и отливкой. Свободной ковкой получают заготовки валов крупных двигателей, выпускаемых мелкими сериями, для которых нецелесообразно делать сложные и дорогие штампы. Сложная конфигурация коленчатого вала не позволяет изготовить свободной ковкой заготовку, в достаточной степени приближающуюся к конфигурации готовой детали, и при обработки шеек приходится удалять большое количество металла. Заготовки валов, выпускаемых значительными сериями, получают штамповкой в закрытых штампах. Штамповку заготовок значительных размеров производят по частям в секционных штампах (см. рис 1).

Это позволяет снизить расход металла, улучшить его структуру и снизить трудоёмкость изготовления вала в заготовительных и механических цехах. Заготовку коленчатых валов быстроходных двигателей в серийном производстве получают штамповкой в закрытых штампах из проката последовательно в нескольких ручьях одного штампа или двух штампов. Сначала производят гибку заготовки в гибочном ручье штампа, затем штамповку в предварительном ручье. Потом производят обрезку облоя, окончательную штамповку, обрезку и рихтовку. Фланцы на конце вала обычно штампуют в отдельной операции на горизонтально-ковочных машинах.

При изготовлении коленчатых валов как одно целое с ними отковывают бруски, из которых после совместной термической обработки вырезают образцы для контроля механических свойств материала. Литые заготовки коленчатых валов получают из модифицированного легированного чугуна и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Крупные валы (для тепловозных и стационарных двигателей) изготавливают в земляных формах; шейки их обычно отливают полыми, что позволяет избежать большой разницы в толщине стенок отливки и обеспечит более равномерную структуру материала. Коленчатые валы небольших размеров (для автомобильных, тракторных и комбайновых двигателей) отливают в оболочковых формах. Литые заготовки коленчатых валов подвергают рентгенографическому контролю для выявления внутренних скрытых раковин.

Читайте также:  Зачем бывалые водители натирают фары зубной пастой?

Устройство автомобилей

Группа деталей коленчатого вала

Заключительное звено кривошипно-шатунного механизма поршневого двигателя – группа коленчатого вала. Детали этой группы завершают процесс преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного звена.
В группу коленчатого вала входят: собственно коленчатый вал, противовесы, маховик, элементы привода газораспределительного и других вспомогательных механизмов и систем двигателя, узел осевой фиксации и детали маслоуплотняющих устройств.

Наиболее сложной и ответственной деталью группы коленчатого вала является сам коленчатый вал.
От технического совершенства конструкции и качества изготовления коленчатого вала во многом зависят полнота использования двигателем тепловой энергии сгоревших газов, т. е. КПД, потери на трение, долговечность, надежность, эффективность и экономичность двигателя.

Коленчатый вал двигателя

«Коленчатый вал – деталь, изогнутая до невозможности и вращающаяся до потери пульса»
Поговорка слесарей-мотористов

Коленчатый вал поршневого двигателя является деталью, конструкция которой позволяет завершить преобразование возвратно-поступательного прямолинейного движения поршня во вращательное движение. Как упоминалось в одной из статей об автомобилях, вращательное движение является оптимальным для большинства передвигающихся по суше машин и механизмов (т. е. для легковых, грузовых автомобилей и автобусов, тракторов и сельскохозяйственной техники и т. д.), поскольку основным движителем для таких машин является колесо, совершающее в процессе выполнения работы вращательное движение.

Коленчатый вал поршневого двигателя воспринимает усилие со стороны шатуна и преобразует их в крутящий момент. Кроме того, коленчатый вал обеспечивает движение поршней во время вспомогательных тактов и пуска двигателя, а также приводит в действие вспомогательные механизмы и приборы двигателя и его систем.

Усилия со стороны газов и сил инерции при большой длине коленчатого вала вызывают заметные продольные и угловые деформации, причиной которых являются динамические (переменные) нагрузки, способные при продолжительных воздействиях привести к усталостным разрушениям.

Шейки коленчатого вала работают при больших окружных скоростях и испытывают значительные тепловые и механические напряжения. При этом шатунные шейки совершают сложные перемещения, вызывающие комплексные инерционные нагрузки.

Исходя из перечисленных выше условий, в которых работает коленчатый вал, к его конструкции предъявляются следующие требования:

  • форма коленвала должна обеспечивать уравновешенность двигателя в время работы;
  • высокая жесткость, исключающая недопустимые деформации;
  • высокая усталостная прочность и способность противостоять динамическим нагрузкам;
  • высокая износостойкость трущихся поверхностей;
  • минимальная масса, позволяющая снизить возникающие во время вращения вала инерционные силы и моменты.

Особенности конструкции коленчатого вала

Основными элементами коленчатого вала (рис. 1) являются коренные 4 и шатунные 2 шейки, соединяющие щеки 3, носок 5 и хвостовик 1. Две шатунные шейки, шатунная шейка и щеки, соединяющие их, образуют кривошип.

Торцевые поверхности щек, выступающие за шейки, шлифуются и образуют кольцевые пояски, используемые для осевой фиксации шатунов и самого коленчатого вала. Эти кольцевые пояски сопрягаются с цилиндрической поверхностью шеек плавными переходами – галтелями.

Внутри шеек и щек имеется система каналов и отверстий для подачи смазочного материала к подшипникам. Масло, как правило, поступает к шатунным вкладыши по каналам из смежных коренных подшипников.

Достаточную жесткость на изгиб обеспечивают так называемые полноопорные валы, в которых число коренных шеек на одну больше количества шатунных шеек.

Расположение шатунных шеек определяется из условия равномерного распределения воспламенения и уравновешенности деталей.

Коленчатые валы могут быть цельными и составными, т. е. разборными – состоять из отдельных кривошипов, соединяемых в единый узел. Составные валы применяются редко, только в случае использования коренных подшипников качения (рис. 2).

Щеки коленчатого вала со стороны коренных шеек часто имеют продолжение, заканчивающееся противовесами, предназначенными для разгрузки коренных подшипников от действия центробежных сил вращающихся масс, которые обусловлены дисбалансом вала из-за смещения шатунных шеек относительно оси вращения, а также для общего уравновешивания двигателя.
Противовесы выполняются заодно с коленчатым валом, но в случае большой их массы (например, в дизелях) они могут изготавливаться отдельно от вала и крепиться к нему болтами, шпильками или штифтами.

На носке коленчатого вала устанавливают шкивы или зубчатые колеса для привода механизма газораспределения, насосов, вентилятора и других механизмов и узлов различных систем двигателя.
На хвостовике коленчатого вала устанавливается маховик, уравновешивающий вращающиеся массы двигателя, на котором выполнен зубчатый венец для пуска двигателя.
Иногда зубчатые колеса привода газораспределительного механизма устанавливают не на носке, а на хвостовике, где имеются элементы уплотнения – гребень и маслосгонная резьба или накатка.

Коленчатый вал воспринимает значительные осевые усилия, возникающие при работе косозубых распределительных зубчатых колес и при выключении сцепления. Для того чтобы предотвратить перемещение вала от воздействия этих усилий, применяется осевая фиксация, которая обеспечивается упорными буртами вкладышей или упорным подшипником (см. рис. 3). В собранном узле образуется осевой зазор 0,05…0,15 мм, обеспечивающий свободное вращение вала.

Для уменьшения трения рабочая поверхность упорных колец покрывается антифрикционным сплавом. От проворачивания упорные кольца фиксируются штифтами.

После изготовления коленчатые валы подвергаются статической и динамической балансировке.

Жесткость и прочность коленчатого вала достигается:

  • увеличением поперечного сечения шеек и щек;
  • максимальным уменьшением массы шатунных шеек;
  • рациональным размещением противовесов;
  • уменьшением концентрации напряжений, создаваемых шатунными шейками.

Концентрацию напряжений уменьшают увеличением радиуса галтелей, наклонным расположением отверстий в шатунной шейке, применением бочкообразной формы полости внутри шатунной шейки.

Высокая износостойкость шеек коленчатого вала достигается ограничением усилий воздействия на подшипники, оптимальным выбором материала антифрикционного слоя, закалкой шеек и галтелей вала токами высокой частоты с последующим отпуском, азотированием шеек и галтелей, а также обеспечением оптимального режима смазывания.

Как и из каких металлов изготавливают коленчатые валы?

Коленчатые валы изготавливаются штамповкой из стали или отливаются из специальных чугунов. Для штампованных валов используют стали 45, 45Х, 40ХФА, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА.

Коленчатые валы бензиновых двигателей отливают из чугуна. Их производство дешевле, им легко придать необходимую форму, однако нагрузки на изгиб они выдерживают значительно хуже, чем валы из стали, поэтому в дизелях чугунные валы применяют редко.

Маховик

Маховик служит для накопления кинетической энергии во время рабочего хода, уменьшения неравномерности вращения коленчатого вала, сглаживания момента перехода поршня через ВМТ и НМТ, облегчения пуска двигателя и трогании автомобиля с места. Маховик отливают из серого чугуна, располагая основную массу металла на ободе для увеличения момента инерции.

Для осуществления пуска двигателя электростартером на обод маховика напрессовывается зубчатый венец 2 (см. рис. 4), либо его крепят специальными болтами.

На ободе или торце маховика могут быть нанесены метки для установки поршня первого цилиндра в ВМТ или градусная шкала для установки момента зажигания (в градусах).

Для установки маховика на фланец коленчатого вала в однозначном положении одно из отверстий крепления маховика смещают на небольшой угол (примерно ). В противном случае применяются установочные штифты и установочную втулку 4.

Ссылка на основную публикацию